【花雕动手做】为 Arduino 机器人创建迷人的 OLED 眼睛动画！- Makelog(造物记)

Arduino OLED之机器人眼睛动画
一、主要特点
（一）生动形象的表现力
模拟真实眼神：通过OLED屏幕展示机器人眼睛动画，可以生动地模拟出机器人的各种眼神状态，如好奇、警觉、友好等。这种形象化的表现方式能够让机器人更具亲和力和交互性，使用户更容易与机器人建立情感连接。
丰富的表情变化：可以实现多种表情的切换和过渡动画，从简单的睁眼、闭眼到复杂的眨眼、斜视等动作，为机器人赋予更加丰富的个性和情感表达能力。
（二）高度的可定制性
动画效果自定义：开发者可以根据具体需求设计和定制各种不同的动画效果。例如，可以设置眼睛的闪烁频率、颜色变化、移动轨迹等参数，以满足不同应用场景下的个性化要求。
与机器人功能结合：眼睛动画可以与机器人的其他功能紧密结合，如语音交互、动作执行等。当机器人接收到特定指令或处于不同工作状态时，眼睛动画可以相应地做出变化，增强机器人的整体表现力和用户体验。
（三）低资源占用与高效运行
适合嵌入式系统：Arduino平台本身资源相对有限，而OLED屏幕显示眼睛动画所需的计算资源和存储空间较小。这使得在资源受限的嵌入式系统中，如小型机器人、智能玩具等，能够轻松实现复杂的眼睛动画效果，同时保证系统的稳定运行。
实时响应能力：由于OLED屏幕的刷新速度较快，配合优化的动画算法，机器人眼睛动画可以实现实时响应。例如，在与用户进行交互时，机器人能够迅速根据用户的动作或语音指令做出相应的眼神变化，提供更加流畅和自然的交互体验。
（四）易于集成与扩展
简单的硬件连接：OLED屏幕通常采用I2C或SPI等标准通信接口，与Arduino板连接方便。只需将相应的引脚连接到Arduino板上，即可实现与机器人的集成，无需复杂的硬件设计。
丰富的软件支持：Arduino社区提供了大量的开源库和示例代码，用于控制OLED屏幕和处理动画效果。开发者可以利用这些资源快速搭建机器人眼睛动画系统，并在此基础上进行二次开发和功能扩展。
二、应用场景
（一）教育与科普领域
机器人教育套件：在机器人教育套件中，添加眼睛动画功能可以使机器人更加生动有趣，吸引学生的注意力。例如，在编程教学中，学生可以通过编写代码来控制机器人眼睛的动画效果，加深对编程逻辑和机器人控制的理解。
科普展览与互动体验：在科技馆、博物馆等场所的科普展览中，带有眼睛动画的机器人可以作为互动展品，向观众展示机器人的基本原理和功能。观众可以通过与机器人进行简单的交互，观察机器人眼睛的变化，增加对科技的兴趣和了解。
（二）智能家居领域
智能管家机器人：在智能家居环境中，智能管家机器人可以通过眼睛动画来表达不同的状态和情感。例如，当机器人检测到主人回家时，可以通过眨眼、微笑等动画效果表示欢迎；当出现异常情况时，如烟雾报警，机器人可以用惊恐的眼神提示主人。
儿童陪伴机器人：针对儿童的陪伴机器人可以利用眼睛动画来增强与儿童的互动。例如，在讲故事、玩游戏的过程中，机器人可以根据情节变化展示相应的眼神，使陪伴过程更加生动有趣，有助于儿童的智力开发和情感培养。
（三）娱乐与玩具领域
智能玩具机器人：在智能玩具机器人中，眼睛动画可以增加玩具的趣味性和吸引力。例如，玩具机器人可以根据不同的游戏模式展示不同的眼神，或者在播放音乐、故事时配合相应的眼神动作，为儿童带来更加丰富的娱乐体验。
互动表演机器人：在一些舞台表演、活动现场等场合，互动表演机器人可以通过眼睛动画来增强表演效果。例如，机器人可以与演员进行眼神互动，或者根据音乐节奏展示不同的眼神变化，为观众带来全新的视觉体验。
（四）工业与商业领域
服务机器人：在商场、酒店等服务场所的服务机器人中，眼睛动画可以用于向顾客传达信息。例如，当机器人引导顾客前往指定位置时，可以通过眼神提示顾客跟随；当机器人遇到障碍物或需要帮助时，可以用困惑的眼神提示工作人员。
广告宣传机器人：在一些商业活动或展览中，广告宣传机器人可以通过眼睛动画来吸引观众的注意力。例如，机器人的眼睛可以根据广告内容展示不同的表情和动作，使广告宣传更加生动形象，提高宣传效果。
三、需要注意的事项
（一）动画设计与优化
避免过度复杂：虽然OLED屏幕能够支持丰富的动画效果，但过于复杂的动画可能会导致系统资源紧张，影响机器人的其他功能运行。因此，在设计眼睛动画时，应尽量保持简洁明了，避免过多的细节和不必要的动画元素。
优化动画算法：为了确保眼睛动画的流畅性和实时性，需要对动画算法进行优化。例如，可以采用插值算法来实现平滑的过渡效果，减少动画帧之间的跳跃感；同时，合理控制动画的帧率和刷新频率，避免因刷新过快导致系统负载过高。
（二）色彩搭配与对比度
选择合适的颜色：在选择眼睛动画的颜色时，要考虑OLED屏幕的特性和环境光线的影响。避免使用过于刺眼或难以辨认的颜色组合，确保眼睛动画在不同的光照条件下都能清晰可见。
保证足够的对比度：为了使眼睛动画更加醒目和易于观察，需要保证眼睛与背景之间有足够的对比度。例如，在白色背景下，可以使用黑色或深色的眼睛图案；在黑色背景下，则可以使用白色或亮色的眼睛图案。
（三）硬件兼容性与稳定性
检查OLED屏幕兼容性：在使用OLED屏幕实现机器人眼睛动画之前，需要确保所选的OLED屏幕与Arduino板以及其他相关硬件设备兼容。不同型号的OLED屏幕可能在通信协议、电气特性等方面存在差异，需要进行充分的测试和验证。
确保硬件连接稳定：良好的硬件连接是保证眼睛动画正常显示的基础。在连接OLED屏幕和Arduino板时，要注意引脚的正确连接和焊接质量，避免出现松动、接触不良等问题。同时，要考虑电磁干扰等因素对硬件稳定性的影响，采取相应的防护措施。
（四）软件编程与调试
正确配置库文件和引脚：在使用Arduino控制OLED屏幕显示眼睛动画时，需要正确配置相关的库文件和引脚。不同的OLED屏幕可能需要使用不同的驱动库，要根据实际情况选择合适的库文件，并按照文档说明正确设置引脚模式和参数。
进行充分的调试：在编写和实现眼睛动画程序后，需要进行充分的调试工作。通过观察OLED屏幕上的显示效果，检查动画是否流畅、颜色是否正确、位置是否准确等。如果发现问题，要及时分析原因并进行修改，直到达到预期的效果。

方案一：基于Intellar开源框架的OLED眼部动画实现

该方案赋予了眼睛动画三种不同的情绪表达，分别是正常、睡眠和微笑。这三种情绪的呈现让眼睛不再仅仅是一个静态的元素，而是能够根据具体的情境和需求，生动地展现出不同的精神状态，使得整个显示内容更加生动有趣。同时，代码还支持多个眼睛位置的变化，涵盖了右、左、上、下以及所有角等不同的位置设定，这为用户在创意表达上提供了极大的灵活性。另外，眨眼功能的加入进一步增强了眼睛动画的真实感和生动性，让整个动画看起来更加自然流畅，就好像赋予了这些眼睛生命一般。

优点：
首先，该方法具有极高的易用性。对于开发者来说，使用起来非常简便。无需复杂的编程环境和深厚的专业知识储备，即使是初学者也能够轻松地运用到自己的项目中。只要将相应的代码集成到自己的项目中，按照简单的说明进行配置，就能够快速实现眼睛动画的效果。这种低门槛的特性，使得更多的开发者有机会体验到OLED屏幕上眼睛动画的魅力，激发他们的创造力。

其次，其功能简单且实用。功能允许在多个方向上灵活调整眼睛位置，这种灵活性为开发者提供了极大的创作空间。比如，开发者可以根据项目需求，将眼睛准确地定位在右、左、上、下或者所有的角落位置。无论是构建一个具有可爱风格的卡通形象，还是设计一个具有科技感的智能界面，这种多方向的位置调整功能都能够满足各种不同的创意需求，让眼睛动画更好地融入到整体设计中。

再者，绘制和生成具有可修改高度和宽度眼睛的能力是该代码的一个突出功能。在实际应用中，不同场景下可能需要不同大小的眼睛来适配不同的设计布局。例如，在一个小型的图标设计中，可能需要较小尺寸的眼睛来保持整体的简洁性；而在一个大型的大屏幕展示中，可能就需要更大尺寸的眼睛来增强视觉冲击力。而这个功能使得开发者可以根据具体需求轻松地调整眼睛的大小，无需重新编写大量的代码，大大提高了开发效率。

缺点：
然而，这种方法也存在一定的局限性。其中较为突出的一点就是，它只有三种情绪表达，即正常、睡眠和微笑。在某些项目中，这三种情绪可能无法满足更加复杂和个性化的需求。例如，在一些需要表达丰富情感的角色动画或者具有特定情感氛围的主题设计中，可能还需要更多种类的情绪，如惊讶、生气、悲伤等。此时，仅有的三种情绪可能就会显得有些捉襟见肘，无法完全满足项目的需求。

【花雕动手做】为 Arduino 机器人创建迷人的 OLED 眼睛动画！
方案一：实验开源代码

代码

/*
  【花雕动手做】为 Arduino 机器人创建迷人的 OLED 眼睛动画！
   实验项目之一：基于Intellar开源框架的OLED眼部动画实现
*/

#include <Wire.h>              // I2C通信库
#include <Adafruit_GFX.h>      // Adafruit图形库
#include <Adafruit_SSD1306.h>  // SSD1306 OLED驱动库

// 定义OLED屏幕的宽度和高度（像素）
#define SCREEN_WIDTH 128
#define SCREEN_HEIGHT 64

// 声明SSD1306显示屏对象，连接到I2C（SDA, SCL引脚）
// OLED_RESET为复位引脚，-1表示与Arduino共享复位引脚
#define OLED_RESET -1
Adafruit_SSD1306 display(SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT, &Wire, OLED_RESET);

#include "eyes.h"  // 包含自定义的眼睛动画数据

void setup() {
    // 初始化代码，运行一次
    pinMode(8, INPUT_PULLUP);  // 设置引脚8为输入，启用内部上拉电阻
    pinMode(9, INPUT_PULLUP);  // 设置引脚9为输入，启用内部上拉电阻
    pinMode(10, INPUT_PULLUP); // 设置引脚10为输入，启用内部上拉电阻
    pinMode(11, INPUT_PULLUP); // 设置引脚11为输入，启用内部上拉电阻

    Serial.begin(115200);      // 初始化串口通信，波特率115200
    Serial.println("Booting"); // 打印启动信息

    // 初始化SSD1306显示屏，I2C地址为0x3C
    if (!display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, 0x3C)) {
        Serial.println(F("SSD1306 allocation failed")); // 初始化失败提示
        for (;;); // 停止程序，进入死循环
    }

    // 显示初始缓冲区内容（Adafruit启动画面）
    display.display();
    display.clearDisplay(); // 清空显示缓冲区
    display.display();      // 更新显示
}

// 读取按键输入的函数
unsigned char readkey(void) {
    unsigned char ret = 0;
    if (digitalRead(8) == 0) ret = 1;   // 左键按下
    if (digitalRead(9) == 0) ret += 2;  // 上键按下
    if (digitalRead(10) == 0) ret += 4; // 下键按下
    if (digitalRead(11) == 0) ret += 8; // 开火键按下
    return ret;
}

int xp = 16; // 眼睛的水平位置
int mood = 1; // 当前情绪状态

void loop() {
    int n;
    static int xd = 0;    // 眼睛的水平偏移量
    static int espera = 0; // 等待时间计数器
    static int step = 0;   // 当前动画步骤
    int x1, x2;

    if (espera > 0) {
        espera--; // 减少等待时间
        delay(1); // 延迟1毫秒
    } else {
        // 计算眼睛的显示位置
        x1 = xd + (xp > 16 ? (16 + 2 * (xp - 16)) : xp);
        x2 = 64 + xd + (xp < 16 ? (-16 + (xp * 2)) : xp);

        switch (step) {
            case 0: // 正常显示眼睛
                display.clearDisplay(); // 清空显示缓冲区
                if (xp < 6) {
                    // 显示向左看的眼睛
                    display.drawBitmap(x1, 8, peyes[mood][2][0], 32, 32, WHITE);
                    display.drawBitmap(x2, 8, peyes[mood][1][1], 32, 32, WHITE);
                } else if (xp < 26) {
                    // 显示正前方的眼睛
                    display.drawBitmap(x1, 8, peyes[mood][0][0], 32, 32, WHITE);
                    display.drawBitmap(x2, 8, peyes[mood][0][1], 32, 32, WHITE);
                } else {
                    // 显示向右看的眼睛
                    display.drawBitmap(x1, 8, peyes[mood][1][0], 32, 32, WHITE);
                    display.drawBitmap(x2, 8, peyes[mood][2][1], 32, 32, WHITE);
                }
                display.display(); // 更新显示
                espera = random(250, 1000); // 随机等待时间
                n = random(0, 7); // 随机选择下一步
                if (n == 6) {
                    step = 1; // 进入眨眼状态
                } else {
                    step = 2; // 进入眼睛移动状态
                }
                break;

            case 1: // 眨眼动画
                display.clearDisplay();
                display.drawBitmap(x1, 8, eye0, 32, 32, WHITE); // 显示闭眼
                display.drawBitmap(x2, 8, eye0, 32, 32, WHITE);
                display.display();
                espera = 100; // 眨眼持续时间
                step = 0;     // 返回正常状态
                break;

            case 2: // 眼睛随机移动
                n = random(0, 10);
                if (n < 5) xd--; // 向左移动
                if (n > 5) xd++; // 向右移动
                if (xd < -4) xd = -3; // 限制左移范围
                if (xd > 4) xd = 3;    // 限制右移范围
                espera = 0;
                step = 0;
                break;
        }
    }

    // 读取按键输入并更新眼睛位置和情绪
    n = readkey();
    if (n == 2) xp = (xp <= 0 ? 0 : xp - 1); // 左键：眼睛向左移动
    if (n == 4) xp = (xp >= 32 ? 32 : xp + 1); // 右键：眼睛向右移动
    if (n == 1) {
        mood = (mood >= 5 ? 0 : mood + 1); // 切换情绪状态
        do {} while (readkey() != 0); // 等待按键释放
    }
    if (n != 0) {
        espera = 0; // 重置等待时间
        step = 0;   // 重置动画步骤
    }
}

代码功能概述
这段 Arduino 代码主要用于控制基于 SSD1306 驱动的 OLED 显示屏，实现眼睛动画的显示。通过按键可以控制眼睛的水平位置和情绪状态，动画具有不同的步骤，包括正常显示、眨眼等，并且眼睛的位置会有微小的随机偏移。

代码功能总结
1、硬件初始化：
配置按键输入引脚（8-11）并启用内部上拉电阻。
初始化SSD1306 OLED显示屏，设置I2C地址为0x3C。

2、眼睛动画逻辑：
支持三种基本状态：正常显示、眨眼、随机移动。
使用drawBitmap函数绘制眼睛图像，支持多种情绪和方向。

3、按键交互：
通过按键控制眼睛的水平位置（xp）和情绪状态（mood）。
按键去抖处理，避免误触发。

4、随机动画：
使用random函数生成随机等待时间和移动方向，增加动画的自然感。

5、显示更新：
通过display.clearDisplay()和display.display()实现双缓冲显示，避免闪烁。

6、关键点解释
库的使用：使用了Wire.h、Adafruit_GFX.h和Adafruit_SSD1306.h库，分别用于 I2C 通信、图形绘制和 OLED 显示屏控制。
按键读取：通过readkey函数读取按键状态，根据不同的按键组合实现不同的功能。
动画步骤：使用step变量控制动画的不同步骤，每个步骤有不同的显示效果。
随机因素：使用random函数引入随机等待时间和随机偏移，使动画更加自然。
情绪切换：通过按键可以切换眼睛的情绪状态，使用mood变量表示。
通过这段代码，可以实现一个具有交互性和随机动画效果的OLED眼睛显示系统。

实验串口返回情况（打印启动信息）